El efecto de superficie libre es un mecanismo que puede hacer que una embarcación se vuelva inestable y vuelque . [1]
Se refiere a la tendencia de los líquidos (y de los agregados sueltos de pequeños objetos sólidos, como semillas, grava o minerales triturados, cuyo comportamiento se aproxima al de los líquidos) a moverse en respuesta a cambios en la actitud de las bodegas de carga, cubiertas y o tanques de líquido en reacción a movimientos inducidos por el operador (o estados del mar causados por las olas y el viento que actúan sobre la embarcación). Cuando se hace referencia al efecto de superficie libre , la condición de un tanque que no está lleno se describe como "tanque flojo", mientras que un tanque lleno está "presionado hacia arriba". [2]
En un barco con carga normal, cualquier balanceo desde la perpendicular se contrarresta mediante un momento adrizante generado por el mayor volumen de agua desplazada por el casco en el lado hundido. Esto supone que el centro de gravedad del buque es relativamente constante. Si una masa en movimiento dentro del barco se mueve en la dirección del balanceo, esto contrarresta el efecto adrizante moviendo el centro de gravedad hacia el lado bajado. El efecto de superficie libre puede convertirse en un problema en una embarcación con grandes compartimentos de carga a granel parcialmente llenos, tanques de combustible o tanques de agua (especialmente si abarcan toda la manga del barco), o por inundaciones accidentales, como ha ocurrido en varios accidentes. en el caso de transbordadores de carga y descarga .
Si un compartimento o tanque está vacío o lleno, no hay cambios en el centro de masa de la nave mientras rueda de un lado a otro (con vientos fuertes, mar embravecido o con movimientos o giros bruscos). Sin embargo, si el compartimiento está sólo parcialmente lleno, el líquido en el compartimiento responderá al movimiento, cabeceo, balanceo, oleaje, balanceo o guiñada de la embarcación . Por ejemplo, cuando un barco se dirige a babor, el líquido se desplazará hacia el lado de babor de un compartimento, y esto moverá el centro de masa del barco hacia babor. Esto tiene el efecto de ralentizar el retorno de la embarcación a la vertical.
El impulso de grandes volúmenes de líquidos en movimiento provoca importantes fuerzas dinámicas que actúan contra el efecto adrizante. Cuando el barco vuelve a la vertical, el balanceo continúa y el efecto se repite en el lado opuesto. En mares agitados, esto puede convertirse en un circuito de retroalimentación positiva , haciendo que cada balanceo se vuelva cada vez más extremo, superando eventualmente el efecto de adrizamiento que conduce a un vuelco. Si bien las oscilaciones repetidas de magnitud creciente se asocian comúnmente con el efecto de superficie libre, no son una condición necesaria. Por ejemplo, tanto en el caso del SS Normandie como del MS al-Salam Boccaccio 98 , la acumulación gradual de agua procedente de los bomberos provocó el vuelco en un solo giro continuo.
Para mitigar este peligro, los buques de carga utilizan múltiples compartimentos a granel o tanques de líquidos más pequeños, en lugar de menos grandes, y posiblemente deflectores dentro de los compartimentos a granel o tanques de líquidos para minimizar los efectos de la superficie libre en la embarcación en su conjunto. Mantener los compartimentos individuales a granel o los tanques de líquido relativamente vacíos o llenos es otra forma de minimizar el efecto y los problemas que conlleva. Los camiones cisterna hidráulicos utilizan agua para desplazar el petróleo más ligero y mantener el tanque lleno en todo momento. [3] Los tanques o compartimentos que no se encuentran a ambos lados de la línea central del buque son algo menos propensos a oscilaciones desestabilizadoras. De manera similar, los compartimentos estrechos (alineados de proa a popa) y los compartimentos en los extremos alejados de la línea central son menos propensos a causar inestabilidad.
Las inundaciones, las fugas de carga líquida o el agua no deseada (por precipitación, olas o daños en el casco) en cualquier compartimento o en cualquier cubierta de una embarcación, y el efecto de superficie libre resultante, son a menudo una causa que contribuye a accidentes, vuelcos y víctimas, por ejemplo, la pérdida. de TEV Wahine (Wellington, Nueva Zelanda, abril de 1968), MS Herald of Free Enterprise (Zeebrugge, Bélgica, marzo de 1987) y MS Estonia (Mar Báltico, septiembre de 1994). En el caso del ferry RORO al-Salam Boccaccio 98 (Mar Rojo, febrero de 2006), procedimientos inadecuados de extinción de incendios provocaron inundaciones que provocaron directamente inestabilidad y zozobra. En ambos casos, el al-Salam Boccaccio 98 y el Costa Concordia , se produjo una fuerte escora inmediatamente después de que el barco había sufrido un giro brusco, lo que provocó que volúmenes inestables de agua (por daños por colisión en este último) surgieran de un lado del barco hacia el otro.
The free surface effect can affect any kind of craft, including watercraft (where it is most common), bulk cargo or liquid tanker semi-trailers and trucks (causing either jackknifing or roll-overs), and aircraft (especially fire-fighting water-droppers and refueling tankers where baffles mitigate but do not eliminate the effects). The term "free surface effect" implies a liquid under the influence of gravity. Slosh dynamics is the overarching field which covers both free surface effects and situations such as space vehicles, where gravity is inconsequential but inertia and momentum interact with complex fluid mechanics to cause vehicle instability.
To reduce the effects of free surface effect potentially capsizing a ship, regulatory requirements apply to all ships internationally under the SOLAS Convention and the International Code on Intact Stability.[4]